高可靠性非接触式RF MEMS压电开关的设计与加工

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随着射频微机电系统(Radio Frequency Microeletromechanic System,简称RF MEMS)技术在近20年的飞速发展,RF MEMS技术在现代通信领域已备受关注,而RF MEMS开关作为其中的关键器件之一,由于具有高隔离度,低插入损耗,低功耗等优异的高频特性,已成为研究和应用的热点。本论文在分析了不同RF MEMS开关的结构特点和失效机制的基础上,提出了一种新型高可靠性非接触式RF MEMS压电开关。这种非接触式的开关结构,能避免接触式RF MEMS开关的系列问题,有效地提高目前RF MEMS开关的可靠性。  该开关由硅片和玻璃片两部分组成,其中硅片部分为开关的压电驱动结构,玻璃片部分是开关的微波电路结构。通过压电特性的基本理论分析与COMSOL仿真结果,确定了该开关的硅片驱动部分的基本结构,并通过射频微波的基本理论计算,设计了开关的共面波导(Coplanar Waveguide,简称CPW)传输线的尺寸,并采用Ansoft HFSS中仿真计算了该开关的基本微波特性:在5-20GHz的设计频段范围内,插入损耗小于1dB,隔离度大于13dB。  本文还研究了该开关的工艺流程,介绍了完成详细的工艺步骤和关键工艺的开发,包括硅片上驱动结构的工艺制备、玻璃片上CPW传输线的工艺制备以及硅片玻璃片SU-8光刻胶的键合工艺,并分析了RIE玻璃干法刻蚀工艺、双层光刻胶剥离工艺和TMAH硅湿法刻蚀工艺等关键工艺。  本论文的另一个重要工作是该开关的压电驱动材料钛锆酸铅(leadzirconatetitanate,PZT)的制备,通过电感耦合原子发射光谱分析仪(Inductively CoupledPlasma-Atomic Emission Spectrometry,ICP-AES)对PZT薄膜的成分分析和X射线衍射分析仪(X-Ray Diffraction,XRD)对PZT薄膜的晶向分析,探索并找到了溅射和退火工艺制备该压电材料的具体工艺参数。结合XRD的测试结果,分别就溅射和退火工艺参数对PZT压电薄膜结晶过程的影响做了详细的讨论,并研究了TiO2种子层对PZT压电薄膜生长的促进作用,最后对PZT薄膜进行了电学测试和表征,为这种高可靠性非接触式RF MEMS压电开关的制备打下了坚实的基础。
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